單一粒徑混凝土的透水性研究

辛揚帆，梁曉飛

(山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049)

習近平總書記于2013年明確提出，城市的排水要優先考慮利用自然力量，建設雨水可自然滲透和積聚的生態城市[1]。因此，“海綿城市”這一理念在國務院、住建部和水利部的研究下于2014年正式提出。這一政策的提出預示著我國城市道路必然會向生態化、綠色化的方向發展，然而目前城市人口和社會活動的加劇對路面強度要求日益提高，導致路面硬化嚴重，地下水補給和城市水循環體系受到阻礙，嚴重影響了城市的生態環境[2]。因此，透水混凝土這種結合了高強度和優異透水性的道路材料便備受國內該領域許多專家學者的好評與推崇。與普通混凝土相比，透水混凝土最突出的不同點是粗骨料由單一粒徑構成，其獨有的透水性能使其在調節城市溫度、緩解“熱島現象”上優勢明顯[3]。由于透水混凝土開發時間短，因此在強度和透水性的協調問題上仍存在缺陷，本文基于參考文獻[4]設計試驗，對透水混凝土的部分參數進行對比分析。

1 試驗材料

本試驗采用的水泥為山東山鋁水泥有限公司生產的強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥,經試驗測定，各項指標均符合標準；為降低混凝土容重，提高其透水性，本試驗的骨料除石子外還采用了陶粒；水采用當地的清潔自來水；采用硅灰作為摻合料，既可提高混凝土的保水性和流變性能，又可增加混凝土強度和耐久性；外加劑采用陜西秦奮建材有限公司生產的透水混凝土專用生態復合減水劑，采用直接摻加的方式。部分原材料技術指標見表1。

2 試驗過程

2.1 制備

綜合比較質量法、體積法和比表面積法3種方法的優缺點和各種材料及人工因素，最終選取體積法進行配合比設計,石子與陶粒的比例為2∶1。考慮到實際情況在計算其質量時以修正系數0.98進行修正。試驗采取平行試驗，配合比見表2。

表1 部分原材料技術指標

Table 1 Technical indicators of some raw materials

原材料 參考指標測量值石子2～5mm5～10mm10～15mm表觀密度/kg·m-32.795堆積密度/kg·m-31.564表觀密度/kg·m-32.760堆積密度/kg·m-31.552表觀密度/kg·m-32.714堆積密度/kg·m-31.538陶粒2～5mm5～10mm10～15mm表觀密度/kg·m-31.239堆積密度/kg·m-30.742吸水率/%18.5表觀密度/kg·m-31.227堆積密度/kg·m-30.683吸水率/%13表觀密度/kg·m-31.206堆積密度/kg·m-30.628吸水率/%8.7硅灰細度/μm43.0密度/kg·m-32.4含水量/%0.5減水劑減水率/%25.0泌水比率/%74.9含氣率/%2.0

表2 C30透水混凝土配合比

Tab.2 Mixture ratio of C30 permeable concrete

編號骨料粒徑/mm水灰比材料用量水泥/kg·m-3水/kg·m-3石子/kg·m-3陶粒/kg·m-3硅灰/kg·m-3減水劑/g12～50.25624.7156.21174.8260.469.41522～50.26615.3160.01174.8260.468.41532～50.27606.3163.71174.8260.467.41542～50.28597.4167.31174.8260.466.41555～100.25621.8155.51167.7259.669.11565～100.26612.6159.31167.7259.668.11575～100.27603.5163.01167.7259.667.11585～100.28594.8166.51167.7259.666.115910～150.25616.9154.21153.1256.168.5151010～150.26607.7158.01153.1256.167.5151110～150.27598.7161.71153.1256.166.5151210～150.28590.1165.21153.1256.165.615

2.2 拌和、成型和養護

透水混凝土的拌和工藝對成型后的性能影響程度較大，本試驗采用的拌和方法為水泥裹石法。先將粗骨料及50%的水倒入攪拌機，攪拌30 s待骨料基本潤濕后再加入全部水泥、減水劑、硅灰二次攪拌30 s，形成均勻的水泥外殼，然后將剩余50%的水倒入再次攪拌。出料時透水混凝土的混合料呈現出金屬光澤[5]，此時即為最佳狀態。選用100 mm×100 mm×100 mm的試模成型，成型后采用恒溫養護箱進行標準養護。每組6塊，3塊做透水系數實驗，3塊測試其抗壓強度，測試結果用0.95進行修正。

2.3 抗壓強度和透水系數測試

標準養護28 d后，將試件取出測試其抗壓強度和透水系數，具體數據見表3。透水混凝土抗壓強度參考文獻[6]進行測試，速度控制在0.5 MPa/s。透水系數計算公式為

(1)

式中:V為透水系數(mm/s)；H為水位下降高度，即160mm ；Δt為水位降為0的時間(s)。

表3 透水系數與抗壓強度

Tab.3 Permeability coefficient and compressive strength

粒徑/mm水灰比透水系數/mm·s-1抗壓強度/MPa2～50.251.7833.20.261.6636.40.271.4238.30.281.3539.85～100.252.3422.90.262.0730.30.271.8233.40.281.4335.710～150.254.0219.80.263.8321.60.273.5524.10.283.2126.3

3 數據分析

3.1 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

圖1為不同粒徑粗骨料對透水混凝土性能的影響。可以看出，隨粗骨料粒徑的增大，透水混凝土強度降低，透水性提高。粗骨料作為透水混凝土的基本骨架，其粒徑大小直接決定了混凝土內部的密實程度。骨料粒徑越小，其堆積密度越大，表面積越小，因此骨料與膠凝材料之間的粘結面積越大，導致空隙之間的連接孔道越閉塞，嚴重降低其透水效率；反之，若粒徑較大，骨料與膠凝材料粘結面積越小，結構密實度越低，這樣固然能提高混凝土的透水效率，但對其強度卻十分不利[7]。

(a)水灰比0.25 (b)水灰比0.26

(c)水灰比0.27 (d)水灰比0.28圖1 不同水灰比條件下粒徑對透水混凝土性能的影響Fig.1 Effects of particle size on properties of permeable concrete under different water-cement ratio conditions

表4為不同粒徑的情況下，水灰比對透水混凝土性能的影響率。由表4可知，粒徑在5～10 mm時對抗壓強度和透水性的影響率均達到最高值，分別為35.85%和38.89%。骨料粒徑較小時，混凝土抗壓強度較高，增大水灰比時，膠凝材料可填充空隙相對較小，因而發揮的粘結作用有部分盈余，導致對強度和透水系數影響相對較低；當骨料粒徑較大時，膠凝材料依靠粘結骨料提高強度并形成連通孔道，由于骨料之間接觸面積小，空隙較多，但所帶有粘結作用不足以滿足整個混凝土的需求，因此對強度和透水性的影響率同樣相對較低；當粒徑適宜時，膠凝材料所能發揮出的粘結作用與拌合料粘結所需更為相近，在盡可能發揮其作用的同時又不至于產生作用贅余。因此，在粒徑為5～10 mm的條件下，水灰比對強度和透水性能的影響率最高。

由試驗可知，選擇最優的骨料粒徑對其透水性能是十分必要的，尤其是在粒徑為5～10 mm的條件下，水灰比對兩種性能的影響十分敏感，因此水灰比和粒徑的范圍需十分精準才更易找到最優點。當然，骨料自身也可具備一定的透水能力，如本次試驗所選用的陶粒，其內部的孔隙也對混凝土的透水性能具有較好的補充和促進作用，輕容重的優點也有利于提高其適用性，而且陶粒多產于工業廢料，來源廣泛，因此不但能夠削減成本，還能變廢為寶[8]。所以，在透水混凝土的制備中，高強陶粒也會是一個較好的選擇。

表4 粒徑對強度和透水系數變化率影響率

Tab.4 The influence rate of particle size on the change rate of strength and permeability coefficient

粒徑/mm抗壓強度/MPa最大值最小值極差抗壓強度變化率/%透水系數/mm·s-1最大值最小值極差透水系數變化率/%2～539.833.26.616.581.781.350.4324.165～1035.722.912.835.852.341.430.9138.8910～1526.319.86.524.714.023.210.8120.15

3.2 水灰比對透水混凝土性能的影響

圖2為水灰比對透水混凝土性能的影響。可以看出，隨水灰比的增大，混凝土強度提高，透水性降低。透水混凝土的強度比普通混凝土的強度略低，膠凝材料與骨料的粘結處最易遭到破壞，因而透水混凝土的破壞通常是從此處開始[9]。水泥的主要作用就是粘結其中的石子和陶粒，使混凝土具有足夠的強度，同時又不至于堵塞空隙，若水灰比過小，則流動性變差，膠凝材料不足以均勻地包裹住所有骨料，導致混凝土內部連通的空隙增多，雖然對其透水性有利但會極大地影響其抗壓強度[10]；反之，若水灰比過大，膠凝材料流動性明顯提高，在粘結骨料之余，多余膠凝材料便會堵塞透水混凝土內部空隙，嚴重時會使混凝土的下部產生封底現象，阻礙透水能力[11]。雖然這對提高透水混凝土強度有明顯效果，但對于其透水性而言會有大幅度削弱。

表5為不同水灰比情況下，粒徑對透水混凝土性能的影響率。水灰比在0.26時對抗壓強度的影響率最大；水灰比在0.27時對透水系數影響率最大，但變化幅度較小，考慮到透水混凝土的性能受拌和以及成型條件的影響較大，因此還需做進一步的試驗。最優水灰比所要達到的狀態便是膠凝材料恰好均勻、完整的包裹住了所有骨料，即在其四周圍成一個水泥硬殼，這樣既保證了粘結強度，又不會對透水的空隙造成填堵，保證了各性能的協調和平衡。

(a)粒徑2～5 mm (b)粒徑5～10 mm (c)粒徑10～15 mm 圖2 不同粒徑條件下水灰比對透水混凝土性能的影響Fig.2 Effects of different particle sizes on the properties of permeable concrete

表5 水灰比對強度和透水系數變化率影響率

Tab.5 Influence rate of water-cement ratio on strength and water permeability coefficient

水灰比抗壓強度/MPa最大值最小值極差抗壓強度變化率/%透水系數/mm·s-1最大值最小值極差透水系數變化率/%0.2533.219.813.440.364.021.782.2455.720.2636.421.614.840.663.831.662.1756.660.2738.324.114.237.083.551.422.1360.000.2839.826.313.533.923.211.351.8657.94

4 結束語

本文通過對C30透水混凝土不同水灰比、骨料粒徑進行試驗分析得出以下結論：水灰比的上升有助于提高透水混凝土的抗壓強度，但不利于透水性；骨料粒徑的增大有利于提高透水性，但會削弱抗壓強度。從試驗結果可以看出，在粒徑為5～10 mm時粒徑對混凝土性能影響率最高。因此，在制備透水混凝土的過程中，建議設計人員采用粒徑為5～10 mm的粗骨料，并將水灰比范圍擴大至0.25～0.40以進一步細化試驗，從而控制好膠凝材料的流動性和粗骨料之間的粘結程度，以滿足更高層次的應用要求。